介绍
低温空气分离是一种重要的工业过程，通过液化和蒸馏空气来生产高纯度氧气、氮气和氩气。该过程耗能巨大，因此出于经济和环境方面的考虑，能源消耗是一个关键问题。在大型低温空气分离装置（也称为空气分离装置，或 ASU）中，电力消耗可能占运营成本的大部分。因此，优化能源使用是工厂运营人员和研究人员的首要任务。在本文中，我们将对低温空气分离过程中的能源消耗进行详细分析，重点关注能源消耗的环节、典型的消耗量以及提高效率的方法。我们将研究耗电量最大的工艺阶段，在技术表格中比较各个组件的能源消耗，并讨论影响能源效率的因素和策略。我们的目标是为有兴趣提高 ASU 性能的研究人员和工程师提供一份关于低温空气分离过程中能源使用的全面、技术可靠的概述。
低温空气分离工艺概述
低温空气分离技术的工作原理是将空气冷却至极低的温度使其液化，然后通过蒸馏将液态空气分离成其组成成分。该过程始于空气压缩：环境空气被吸入，并通过带有中间冷却器的多级主空气压缩机压缩至较高的压力（通常约为 5-8 巴）。这一压缩步骤对于实现有效的热交换和推动蒸馏过程至关重要，但它需要大量的能量输入。压缩后，空气通过净化系统（通常是分子筛吸附器）去除水、二氧化碳和碳氢化合物，否则这些物质会在低温下冻结。净化后的加压空气随后在主换热器中冷却至低温（约 –180 °C）。该换热器利用返回的低温产品流（在某些设计中还使用外部制冷剂或冷却回路）对高压空气进行预冷，使其温度接近露点。
充分冷却后，高压空气被部分液化并送入精馏系统。现代空分装置采用双塔精馏配置：一个高压塔和一个低压塔串联运行。在高压塔中，压缩空气分离成塔顶富含氮气的蒸汽和塔底富含氧气的液体。然后，氮气蒸汽在共用冷凝器/再沸器中与来自低压塔的沸腾富氧液体进行热交换，从而冷凝。这种冷凝的氮气为低压塔提供回流，有助于从氮气中去除剩余的氧气。在低压塔（工作压力接近 1 个大气压）中，底部获得高纯度氧气（约 99% O₂），顶部获得高纯度氮气（约 99.9% N₂）。许多大型空分装置还配备了氩气侧塔，用于提取氩气（氩气的沸点介于氮气和氧气之间），同时不影响氧气的纯度。在整个低温精馏过程中，必须持续提供制冷，以平衡热损失以及流体沸腾和冷凝所需的冷却。制冷通常是通过将一部分压缩空气通过涡轮膨胀机（也称为膨胀式透平）膨胀来实现的。膨胀使气体冷却（焦耳-汤姆逊效应，并通过做功增强），从而产生液化所需的低温。膨胀机可以驱动发电机或增压压缩机，回收部分能量，但仍需要大量的净能量输入来维持低温条件。
总而言之，低温空气分离装置的关键操作包括空气压缩、净化、低温冷却、蒸馏（在多个塔中进行）和产品提取。能源消耗主要集中在机械功输入方面：例如运行大型压缩机、涡轮膨胀机、泵和相关系统。几乎所有这些能量最终都会转化为热量，必须将其去除（例如，中间冷却器用于去除压缩机产生的热量，冷箱用于吸收制冷负荷）。了解这些能量如何在各个工艺阶段分布对于分析效率和确定改进措施至关重要。
低温空气分离过程中的能源消耗
低温空气分离过程的能耗通常以比功率来衡量：即生产单位数量产品所需的电能（通常以每吨氧气消耗的电量表示，因为氧气是主要产品）。从热力学角度来看，将空气分离成纯组分需要显著的最低能量。例如，从空气中分离出 1 吨氧气（在环境条件下）的理论最小功约为 50-60 千瓦时。这代表了一个没有损耗的理想可逆过程。实际上，由于压缩、热交换和膨胀过程中的不可逆性，实际的低温空气分离装置消耗的能量是理论最小值的数倍。现代大型工厂通常需要大约理论最小值的 4 倍的能量。实际应用中，最先进的低温空气分离装置每生产一吨氧气可能需要大约 200 千瓦时的电能（具体数值会因工厂设计和运行条件而异）。一些高度优化的超大型设施已将比功率降至约 170-180 千瓦时/吨氧气，而较旧或较小的空气分离装置的比功率可能在 250-300 千瓦时/吨以上。这些数据包括的能量不仅用于生产氧气，还包括以所需的纯度和输送压力生产副产品（氮气和氩气）所需的能量。
实际能耗远高于理想最小值的原因有几个：压缩机效率低下和热损失：多级压缩机虽然接近但永远无法达到理想的等温压缩；能量以热量的形式损失，必须通过中间冷却器散发出去。压降和换热器温差：在实际装置中，流体流经管道、阀门和换热器时会产生一定的压降，而换热器需要一定的温差才能进行热传递。这些效应会增加熵，因此与理想过程相比，需要额外的功输入。有限的制冷循环：通过膨胀产生制冷的过程无法回收所有输入的功（涡轮膨胀机的效率有限，并且部分冷却是通过节流阀实现的，而节流阀会完全耗散功）。此外，泵、风扇和控制系统等辅助设备也会消耗功率。所有这些效率损失会在整个过程中累积起来。
同样重要的是要注意运行条件和产品要求如何影响能源消耗。更高的产品纯度要求更多的回流和通常更多的蒸馏级数，这会增加单位产品的能耗。例如，生产纯度为 99.9% 的氧气比生产纯度为 95% 的氧气消耗更多的能量，因为需要额外的制冷和回流来去除最后的杂质。产品输送压力是另一个影响因素：如果氧气或氮气必须在高压下输送，则整个空分装置要么在高压下运行，要么在产品流中使用额外的压缩机/泵，这两种情况都会增加能源需求。尽管存在这些挑战，但几十年来，低温空气分离的效率通过更好的组件和更智能的循环设计而稳步提高。大型装置往往比小型装置更节能（单位产量），因为规模效应可以实现更有效的热集成和更低的热损失。如今，最先进的工业空分装置已将单位能耗降至前所未有的接近理论极限的水平。以下部分将按主要工艺组件细分能源消耗，以突出低温空分装置中电力的消耗去向。
按工艺阶段和组件划分的能源消耗情况
低温空气分离过程并非所有环节都消耗等量的能量。事实上，大部分电能消耗集中在几个关键环节。下表 1 总结了现代低温空气分离装置中主要工艺阶段/组件的典型能耗分布：
| 流程阶段/组件 | 约占能源总消耗量的比例 |
|---|---|
| 空气压缩（主空气压缩机） | 约50%至60%（主要部分） |
| 低温制冷（膨胀机、焦耳-汤姆逊阀） | ~20–30% |
| 产品气体压缩或液体泵送 | 约 10% 至 20%（取决于所需的输送压力） |
| 其他辅助设备（冷却风扇、水泵、控制装置） | ~5–10% |
表1：低温空气分离装置各工艺阶段的典型能耗分布。
在大多数空气分离装置 (ASU) 中，主空气压缩机是迄今为止最大的电力消耗设备。压缩蒸馏塔所需的巨大空气量（大型工厂通常每小时需要数千立方米的空气）约占总耗电量的一半或更多。这包括用于驱动涡轮膨胀机或维持塔压的任何增压压缩机。压缩后的空气必须冷却至低温，但最初的压缩过程消耗的是高品位能量，这些能量最终大部分以废热的形式被中间冷却器排出。接下来，相当一部分能量用于制冷系统。ASU 的制冷需求由一个或多个涡轮膨胀机（在某些情况下还包括辅助的焦耳-汤姆逊膨胀阀）来满足。这些设备提供液化空气和维持蒸馏所需的低温。涡轮膨胀机通过做功，将部分空气的压力能转化为制冷量（通常会将一小部分功转化为可用能量，用于驱动发电机或辅助压缩机）。尽管如此，提供足够的制冷量可能消耗工厂总电量的四分之一左右。具体比例取决于热集成程度和环境条件——例如，位于炎热气候地区的工厂或生产超低温液态产品的工厂可能需要更高的制冷负荷。
这构成了能源消耗的下一部分。如果空分装置输出的是加压气态产品（例如，将氧气输送到压力为几个巴的管道中，或将氮气压缩用于储存或使用），则需要使用额外的压缩机对这些产品气体进行加压。在一些现代设计中，采用液体泵送代替气体压缩（例如，将液氧泵送到高压状态，然后再将其汽化，这种方法更节能，并且避免了处理高压氧气）。无论采用哪种方式，提供产品压力或将液态产品输送到系统中都会消耗总能量的约 10% 至 20%，具体取决于所需的压力和流量。在只需要低压产品的工厂（例如，向现场燃烧过程供应接近大气压的氧气），产品压缩负荷可能可以忽略不计；而在像富氧燃烧发电循环这样需要极高压氧气的应用中，产品压缩/泵送可能占能源预算的很大一部分。
Finally, the auxiliary systems make up the remainder of the energy consumption (typically under 10%). These include various pumps (for circulating cooling water, pumping liquid nitrogen or argon, etc.), fans (for cooling towers or air coolers), as well as instrumentation, control systems, and losses in electrical equipment. While each of these is comparatively small, together they are non-trivial and efficient design should not ignore them. For instance, pumping cryogenic liquids through the cold box with minimal pressure drop and using efficient motors can slightly reduce the overall power requirement.
这种分析清楚地表明，改进空气压缩和制冷阶段将带来最大的节能效益，因为这两个阶段的能耗占主导地位。分析还指出，蒸馏过程本身（即塔内的分离过程）并不直接消耗电能——相反，它对能源消耗的影响是间接的，因为它会影响所需的压缩和制冷量。了解能源的去向后，我们就可以研究哪些因素会影响这些阶段的效率，以及可以采取哪些策略来降低整体功耗。
影响能源效率的因素
有几个关键因素决定了低温空气分离过程的能源效率。了解这些因素对于分析或比较空分装置的性能至关重要：
- 工厂规模：大型空分装置（ASU）的单位产品能耗（每单位产品的千瓦时）通常低于小型装置。规模经济效应使得热集成更加有效，热损失也相对较低。例如，产能翻倍并不会导致热损失或效率低下程度也翻倍，因此大型工厂可以更高效地生产氧气和氮气。在过去的几十年里，建造大型单系列空分装置（日产氧气数千吨）的趋势促进了能源效率的提高。
- 操作压力：空气压缩和精馏塔运行的压力直接影响能源消耗。较高的空气入口压力可以减小设备尺寸并提高制冷能力，但同时也意味着需要消耗更多的压缩功。优化高压塔的压力需要权衡利弊：压力过高会浪费压缩能量；压力过低则可能导致塔间换热的驱动力不足。许多现代设计采用尽可能低的空气压力（约 4-6 巴），以确保足够的制冷能力和合理的塔体尺寸，从而节省压缩能耗。
- 产品纯度和回收率：氧气、氮气和氩气的所需纯度会影响装置的配置和能耗。实现超高纯度（99.9%以上的氧气或氮气）需要更高的回流比，并且通常需要额外的精馏步骤或精馏塔（例如用于提高氧气纯度的氩气精馏塔）。每增加一个步骤或提高回流比都意味着需要更多的冷却能力，有时还需要更高的压缩功率。如果最终用途允许较低的纯度（例如某些燃烧过程所需的95%氧气），则空分装置可以更高效地运行，从而降低部分能耗。纯度和能耗之间通常存在权衡关系：超过一定限度后，每提高一点纯度都会导致能耗不成比例地大幅增加。
- 产品输送压力：如前所述，如果气态产品必须在高压下输送，则需要消耗大量能量，要么用于提高整个循环压力，要么用于在生产后压缩产品。例如，为气化过程提供 30 巴的氧气比为冶金炉提供 1 巴的氧气消耗的能量要多得多。一些设计方案，例如内部压缩（将液氧泵送到高压后再汽化），可以降低部分能耗，但代价是需要更多的制冷量来生产液氧。最终，所需的产品输出压力是空分装置总能耗的一个主要因素。
- 环境条件和热集成：空分装置（ASU）的运行效率受其运行环境的影响。环境温度越高，中间冷却和热量散发效果越差，可能需要制冷系统消耗更多能量。潮湿或污染的空气会增加净化负担或造成压力损失。另一方面，空分装置有时可以与其他工艺流程集成，从而获得益处——例如，利用工厂其他部分的压缩机产生的废热，或利用外部冷源（例如液化天然气再气化产生的冷能）来辅助制冷。空分装置内部良好的热集成（例如，在换热器中尽可能多地回收和再利用各流体之间的冷能）对于最大限度地减少能量浪费也至关重要。设计上能够最大限度地减少换热器中的温差并有效捕获膨胀流体产生的冷量的装置，其性能将更接近热力学理想状态。
通过在设计和运行过程中仔细考虑这些因素，工程师可以找出效率低下的环节，并针对这些环节进行改进。例如，如果分析表明主压缩机由于排气压力高于所需压力而消耗了过多的能量，则可以调整运行策略。或者，如果工厂位于气候温暖的地区，则可能需要增加中间冷却或改进冷却系统，以控制压缩功率。最终，低温空气分离的能源效率取决于工程设计决策以及针对这些影响因素所采取的运行策略。
降低能源消耗的策略
由于能源成本高昂，人们已经开发出许多策略来降低低温空气分离过程中的能耗，同时又不影响产量和安全性。以下是一些已被证实或正在兴起的优化空气分离装置能源利用的方法：
- 高效压缩：由于空气压缩是最大的能源消耗环节，因此在此方面的改进会带来显著的效益。这包括使用具有高绝热效率的现代离心式或轴流式压缩机，采用多级压缩并进行级间冷却以接近等温压缩，以及使用变频驱动器 (VSD) 来调节压缩机转速以匹配需求（避免部分负荷运行时造成能源浪费）。保持压缩机进气尽可能凉爽和清洁（例如，使用进气冷却器或高效过滤器）也有助于提高效率，因为空气温度越低，密度越大，压缩相同质量的空气所需的功就越少。一些先进的空分装置采用“超低”进料压力设计，将主空气压缩机的排气压力降至最低（例如，0.4 MPa 而非 0.6 MPa）——但这需要与精馏塔中高效的冷量回收相结合，才能显著降低压缩机的功耗。
- 增强型制冷循环：改进制冷过程可以降低冷却所需的能量。一种策略是最大限度地提高涡轮膨胀机能量回收效率——利用膨胀式涡轮机不仅可以制冷，还可以做功（例如驱动辅助压缩机或发电机）。这有效地将部分能量回收到系统中。与单级膨胀相比，利用多级膨胀（高压和低压膨胀机）可以更有效地获得更低的温度。优化冷箱中的焦耳-汤姆逊 (JT) 阀和膨胀机可以确保涡轮膨胀和简单节流之间的平衡，从而最大限度地减少㶲损失。在某些设计中，如果某些条件下更有效，则使用外部制冷回路（例如氮气循环制冷机，甚至用于预冷的机械式制冷机）来分担主空分装置的部分工作。
- 工艺集成和换热器优化：冷箱中高效集成的换热器网络对于提高能源效率至关重要。采用温差极小（冷端温差约为 1-2°C）的板翅式换热器有助于尽可能多地回收各流体之间的冷能。减小温差意味着更少的熵增，从而使性能更接近理想状态。此外，最大限度地减少这些换热器以及整个冷箱中的压力降，可以确保压缩机无需额外做功来克服摩擦损失。一些新型空分装置设计采用了改进的壳管式或钎焊铝制换热器以及流线型管道，以降低压力损失。有效的热集成也延伸到工厂的其他部分：例如，利用压缩机中间冷却器的废热来再生分子筛床（用于空气净化）——这样，原本会被浪费的热量得以利用，从而减少了分子筛再生过程中对电加热器的需求。
- 先进的控制和负荷管理：智能控制系统可以通过使空分装置在最佳设定点运行并高效处理负荷变化来节省能源。模型预测控制 (MPC) 和实时优化软件可以调整塔压、回流比和膨胀机流量等变量，从而最大限度地降低达到所需产量所需的能耗。在需求较低的时期，控制系统可以安全地降低装置负荷，甚至使某些设备闲置，从而防止不必要的电力消耗。相反，在需求高峰期，优化的控制策略将确保不会浪费能源进行过度净化或过度压缩。一些工厂还会利用可变的电价，在电价较低时（非高峰时段）提高产量（和电力消耗），而在电价较高时降低产量，从而有效地“转移”能源使用，在不改变总产量的情况下降低成本。这种运营策略虽然不会降低每吨产品的千瓦时消耗量，但可以降低每吨产品的能源成本，这在实际操作中通常同样至关重要。
- 内部压缩和设备改进：在需要极高压氧气的场景（例如，富氧燃烧发电循环或气化炉）中，内部压缩方法可以降低能耗。由于液体的密度远高于气体，因此将液氧或液氮泵送到高压所需的能量远低于压缩等量气体所需的能量。专为此类应用设计的现代空分装置可能包含低温液体泵，可将产品压力提升至数十个大气压，从而无需使用大型气体压缩机。这种策略必须辅以完善的安全措施（处理加压低温流体）以及足够的制冷能力来首先生产液态氧气或氮气，但它可以显著降低高压输出的单位能耗。此外，机械设备的持续改进（从更高效的膨胀机和压缩机到低损耗分子筛阀）以及绝缘技术的进步（减少热量泄漏到冷箱）都有助于随着时间的推移逐步节省能源。
通过结合这些策略，新型低温空气分离装置的能效比早期设备显著提高。即使是现有设备也通常可以进行改造或优化：例如，为旧式压缩机加装变频驱动器，或改造冷箱内部结构以减少瓶颈，都能显著降低能耗。鉴于能源成本通常占空气分离装置运营成本的大部分，此类优化的投资回报期通常非常可观。此外，降低低温空气分离过程中的能源消耗不仅可以降低成本，还可以减少环境影响（因为当电网主要依靠化石燃料发电时，降低能耗通常意味着生产相同数量产品所需的二氧化碳排放量也会减少）。
结论
低温空气分离过程中的能源消耗是空气分离装置设计和运行的关键因素。通过详细的综述，我们发现，低温空气分离工艺虽然能够高效生产超高纯度工业气体，但需要大量的能量输入，主要用于空气压缩和制冷。分析表明，主空气压缩机和制冷阶段通常消耗大部分电力，而产品压缩和辅助系统的能耗相对较少。我们讨论了多年来低温空气分离的整体单位能耗如何不断降低，并接近理论极限——现代大型空气分离装置每吨氧气的能耗约为200千瓦时，而热力学最小能耗约为每吨50千瓦时，这表明通过改进工程技术取得了显著进展。我们还探讨了影响能源效率的各种因素（例如装置规模、操作压力、产品规格和环境条件），并概述了进一步降低能耗的策略，包括先进的压缩技术、热集成、智能控制和新型工艺改进等。
总而言之，低温空气分离装置的性能和可行性与其能耗密切相关。对于从事空气分离装置研究和技术工作的研究人员和技术人员来说，关注能耗分析至关重要。通过仔细监测能源消耗的环节并采取优化策略，可以显著提升装置性能——降低运营成本，增强可持续性，并提高这项成熟但仍在不断发展的技术的竞争力。随着能源价格上涨和环境压力增大，提高低温空气分离效率的动力将始终是重中之重，这将推动工艺设计和设备效率方面的持续创新。每一点能耗的降低都使该工艺更接近其理论理想状态，并为依赖低温空气分离的行业带来巨大的经济和环境效益。
